随机非正交多址技术及协议研究.pdfVIP

摘要

随着第五代移动通信系统（5thGenerationMobileCommunicationSystem，5G）

的商用以及大规模普及，物联网（InternetofThings,IoT）也在人们的生活中得到

了越来越广泛的应用。实现了智能识别、定位、跟踪、监控和管理事物等目标。由

于物联网通信的特殊性，这对无线通信技术提出了更高的要求和更大的挑战。具体

来说，物联网中的设备发送数据包的时间通常是零星的、不可预测的，且其数据包

通常为短包。当网络中有大量设备节点时，短数据包的零星传输模式会使得制定有

效的资源分配方案变得困难。因此，基于分配的接入模式将不再适用。为了解决这

个问题，本文将研究随机接入（RandomAccess,RA）技术，设备节点随机占用通

信资源，而不等待基站分配资源。

与其他随机接入协议相比，ALOHA及其衍生协议能够在保持较低复杂度的

同时，避免一些数据包碰撞，适合用于物联网场景中。因此，本文介绍了一种不规

则重复时隙ALOHA协议（IrregularRepetitionSlottedALOHA,IRSA）。IRSA协议

在时隙ALOHA协议的基础上进行了改进。在发送端，每个用户根据一个事先给定

的概率分布随机选择若干个时隙发送数据包副本，每个副本中都有其他数据包所

在时隙的位置信息。在接收端，接收到一个数据帧后，先解码未发生冲突的时隙处

的数据包，接着根据该数据包中其他副本的位置信息，消去其他副本对其所在时隙

的干扰。不断迭代该解码和干扰消除过程，直到无法迭代为止，本文使用了二分图

来表示IRSA迭代解码过程。仿真结果显示，相比于时隙ALOHA系统吞吐量只有

1/e，最大数据包重复数为16的IRSA的理论吞吐量可以达到0.965，在实际仿真

中，其吞吐量也可以达到0.8以上。并且随着时隙数和最大迭代次数的增加，IRSA

的实际性能也将越来越趋近于理论性能。

多包接收（Multi-PacketReception,MPR）是一种能够同时接收多个数据包的

概念。若有多个用户在同一时频资源发送数据，接收机将不丢弃数据包，而是将所

有数据包接收，并使用复杂的物理层技术将其成功解码，因此可以提高信道利用率。

为了进一步提高吞吐量，本文将多包接收的概念引入IRSA协议中，介绍了一种具

有MPR能力的IRSA协议，表示为K-IRSA。并使用理论分析推导了该方案的吞

吐量和丢包率性能，同时还对该方案的算法流程进行了总结。在性能仿真中，还创

新地考虑了误包率（PacketErrorRate,PER）对系统性能的影响。仿真结果显示，

在多包接收能力K1时，K-IRSA方案的归一化吞吐量性能能达到0.7。在K2

时，K-IRSA方案的归一化吞吐量性能最好，能够达到0.8。而在大于２时，其

K

性能则有所下降，但都好于K=1时的性能。

同时，在研究了K-IRSA的基础上，本文考虑了将非正交多址接入（Non-

OrthogonalMultipleAccess,NOMA）技术应用于IRSA协议中。首先介绍了一种功

率域NOMA技术，给出了其与IRSA相结合的接入方案，表示为IRSA-NOMA。

每个用户发送的数据包副本，根据从大到小的顺序依次选择一个功率电平，从而更

大程度的避免了两个用户采用同样的功率发射信号。接着每个数据包再随机选择

一个时隙进行发送。并使用基于节点度变化的方法对其进行了理论分析，得到了所

提方案的吞吐量和丢包率的表达式。最后对所提出方案的性能进行了实际仿真，并

与现有的方案进行了性能对比。仿真结果表明，本文所提出的IRSA-NOMA方案

在可用功率电平数为3和4时，能够比现有方案提供更大的吞吐量和更小的丢包

率。

关键词：物联网，随机接入，ALOHA协议，多包接收，非正交多址接入技术

ABSTRACT

Withthecommercializationandlarge-scalepopularization